DE69612828T2 - Super alloy based on nickel with optimized platinum-aluminide coating - Google Patents
Super alloy based on nickel with optimized platinum-aluminide coatingInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf Superlegierungen auf Nickelbasis, die bei Anwendungen hoher Temperatur eingesetzt werden, und mehr im Besonderen auf Gegenstände aus solchen Materialien, die einen optimierten Platin-Aluminid-Schutzüberzug aufweisen.This invention relates to nickel-based superalloys used in high temperature applications and, more particularly, to articles made from such materials having an optimized platinum aluminide protective coating.
Bei einer Flugzeug-Gasturbine wird Luft in das Vordere des Triebwerkes gesaugt, durch einen auf einem Schaft montierten Kompressor komprimiert und mit Brennstoff vermischt. Die Mischung wird verbrannt und die resultierenden heißen Abgase werden durch eine Turbine geleitet, die auf dem gleichen Schaft montiert ist. Die Gasströmung dreht die Turbine, die ihrerseits den Schaft dreht und Energie an den Kompressor liefert. Die heißen Abgase strömen aus dem rückwärtigen Teil des Triebwerkes aus und treiben dieses und das Flugzeug nach vorn.In an aircraft gas turbine, air is drawn into the front of the engine, compressed by a compressor mounted on a shaft, and mixed with fuel. The mixture is burned and the resulting hot exhaust gases are passed through a turbine mounted on the same shaft. The gas flow turns the turbine, which in turn turns the shaft and supplies power to the compressor. The hot exhaust gases flow out the rear of the engine, propelling it and the aircraft forward.
Je heißer die Abgase, um so wirksamer ist der Betrieb des Strahltriebwerkes. Es gibt somit einen Anreiz, die Temperatur des Abgases zu erhöhen. Die maximale Temperatur der Abgase ist jedoch normalerweise durch die Materialien begrenzt, die zum Herstellen der Turbinen-Lauf und -Leitschaufeln benutzt werden. In derzeitigen Triebwerken sind die Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt, und sie können bei Temperaturen bis zu 1.0381.149ºC (1.900-2.100ºF) betrieben werden.The hotter the exhaust gases, the more efficient the jet engine will operate. There is therefore an incentive to increase the temperature of the exhaust gases. However, the maximum temperature of the exhaust gases is usually limited by the materials used to make the turbine blades and vanes. In current engines, the turbine blades and vanes are made of nickel-based superalloys and can operate at temperatures up to 1,0381,149ºC (1,900-2,100ºF).
Es wurden viele Arten des Herangehens benutzt, um die Betriebstemperatur der Turbinen- Laufschaufeln und -Leitschaufeln zu erhöhen. Die Zusammensetzungen und die Verarbeitung der Materialien selbst wurden verbessert. Es wurden physikalische Kühltechniken benutzt. Bei einem weit benutzten Herangehen werden innere Kühlkanäle innerhalb der Komponenten geschaffen und Kühlluft wird während des Betriebes des Triebwerkes durch die Kanäle gedrückt.Many approaches have been used to increase the operating temperature of turbine blades and vanes. The compositions and processing of the materials themselves have been improved. Physical cooling techniques have been used. In one widely used approach, internal cooling channels are created within the components and cooling air is forced through the channels during engine operation.
Bei einem anderen Herangehen wird ein metallischer Schutzüberzug oder ein keramisch/- metallisches thermisches Sperrüberzugssystem auf die Turbinen-Laufschaufel- oder -Leitschaufel- Komponente, die als ein Substrat wirkt, aufgebracht. Der metallische Schutzüberzug ist brauchbar bei Anwendungen in einem Zwischentemperaturbereich. Eine bekannte Art metallischen Schutzüberzuges ist ein Platin-Aluminid-Überzug, der durch Abscheiden von Platin und Aluminium auf der Oberfläche des Substrates und dann Diffundieren dieser Bestandteile in die Oberfläche des Substrates gebildet wird.In another approach, a metallic protective coating or a ceramic/metallic thermal barrier coating system is applied to the turbine blade or vane component, which acts as a substrate. The metallic protective coating is useful in applications in an intermediate temperature range. One common type of metallic protective coating is a platinum-aluminide coating, which is formed by depositing platinum and aluminum on the surface of the substrate and then diffusing these components into the surface of the substrate.
Das thermische Sperrüberzugssystem ist brauchbar bei Hochtemperatur-Anwendungen. Das thermische Sperrüberzugssystem schließt einen keramischen thermischen Sperrüberzug ein, der die Komponente gegenüber dem heißen Abgas isoliert, ein heißeres Abgas gestattet, als ansonsten mit dem speziellen Material und dem Herstellungsverfahren der Komponente möglich wäre.The thermal barrier coating system is useful in high temperature applications. The thermal barrier coating system includes a ceramic thermal barrier coating that insulates the component from the hot exhaust gas, allowing a hotter exhaust gas than would otherwise be possible with the particular material and manufacturing process of the component.
Keramische thermische Sperrüberzüge haften gewöhnlich nicht gut direkt an den Superlegierungen, die in den Substraten benutzt werden. Deshalb wird eine zusätzliche Metallschicht, Bindeüberzug genannt, zwischen dem Substrat und dem thermischen Sperrüberzug angeordnet. Der Bindeüberzug besteht gewöhnlich aus einer nickelhaltigen Decklegierung, wie NiCrACY oder NiCoCrAlY, einer Zusammensetzung, die gegen Umweltbeschädigung beständiger ist als das Substrat. Der Bindeüberzug kann auch aus einem Diffusions-Nickelaluminid oder Platinaluminid hergestellt sein, deren Oberfläche sich zu einer schützenden Aluminiumoxidhaut oxidiert.Ceramic thermal barrier coatings usually do not adhere well directly to the superalloys used in the substrates. Therefore, an additional metal layer, called a bond coat, is placed between the substrate and the thermal barrier coating. The bond coat is usually made of a nickel-containing overlay alloy, such as NiCrACY or NiCoCrAlY, a composition that is more resistant to environmental degradation than the substrate. The bond coat can also be made of a diffusion nickel aluminide or platinum aluminide, the surface of which oxidizes to a protective alumina skin.
Während mit solchen metallischen Schutzüberzügen oder keramisch/metallischen thermischen Sperrüberzugssystemen überzogene Superlegierungen eine beträchtlich verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber nicht überzogenen Materialien ergeben, sind sie doch noch immer verbesserungsfähig hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bei erhöhter Temperatur und der Umweltbeständigkeit. Es besteht daher weiter ein Bedarf an verbeserten metallischen Schutzüberzügen und Bindeüberzügen zum Schützen von Superlegierungen auf Nickelbasis bei Anwendungen erhöhter Temperatur. Dieser Bedarf wurde mit der Entwicklung der neuesten Generation von Superlegierungen auf Nickelbasis deutlicher, da die älteren Schutzüberzüge bei diesen Materialien häufig nicht befriedigend wirken. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und schafft weitere, damit zusammenhängende Vorteile.While superalloys coated with such metallic protective coatings or ceramic/metallic thermal barrier coating systems provide significantly improved performance over uncoated materials, they still have room for improvement in elevated temperature performance and environmental resistance. There is therefore still a need for improved metallic protective coatings and bonding coats to protect nickel-based superalloys in elevated temperature applications. This need has become more apparent with the development of the latest generation of nickel-based superalloys, as the older protective coatings often do not perform satisfactorily on these materials. The present invention meets this need and provides other related advantages.
Die EP-A-733 723 (die Stand der Technik unter Artikel 54(3) EPC ist) offenbart ein Superlegierungs-Substrat auf Nickel- oder Cobaltbasis mit einer mittleren Konzentration von 8 bis 35 Gew.-% Platin und 18 bis 28 Gew.-% Aluminium, die darauf abgeschieden sind.EP-A-733 723 (which is prior art under Article 54(3) EPC) discloses a nickel- or cobalt-based superalloy substrate with an average concentration of 8 to 35 wt% platinum and 18 to 28 wt% aluminium deposited thereon.
WO 95/23243 offenbart einen Platin-Aluminium-Überzug, bei dem das Platin vorher in ein Substrat auf Nickelbasis diffundiert ist, bevor die Diffusion von Aluminium und Silicium stattfindet. Es sind keine Zusammensetzungen für den Überzug angegeben.WO 95/23243 discloses a platinum-aluminium coating in which the platinum is pre-diffused into a nickel-based substrate before the diffusion of aluminium and silicon takes place. No compositions for the coating are given.
Die vorliegende Erfindung schafft einen metallischen Decküberzug für Superlegierungen auf Nickelbasis. Der Decküberzug ist ein Platin-Aluminid, das brauchbar ist als metallischer Schutzüberzug oder als ein Bindeüberzug für das thermische Sperrüberzugssystem. Der Decküberzug liegt in Form eines Oberflächenbereiches vor, der gut an das Substrat gebunden ist. Der Platin-Aluminid-Überzug hat eine gute Stabilität bei erhöhter Temperatur und Beständigkeit gegen Abbau durch die Umgebung in typischen Gasturbinen-Anwendungen.The present invention provides a metallic topcoat for nickel-based superalloys. The topcoat is a platinum aluminide useful as a metallic protective coating or as a bond coat for the thermal barrier coating system. The topcoat is in the form of a surface region that is well bonded to the substrate. The platinum aluminide coating has good stability at elevated temperature and resistance to environmental degradation in typical gas turbine applications.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gegenstand mit einem Platin-Aluminid- Oberflächenbereich geschaffen, umfassend ein Substrat mit einer Zusammensetzung der Substratmasse auf Nickelbasis und einer Substratoberfläche und einen Platin-Aluminid-Oberflächenbereich an der Substratoberfläche, der gebildet ist durch Abscheiden einer Schicht von Platin auf der Substratoberfläche und Diffundieren der Platinschicht in die Substratoberfläche und danach Bereitstellen einer Aluminiumquelle und Diffundieren von Aluminium in die Substratoberfläche, wobei der Oberflächenbereich einen integrierten Aluminium-Gehalt von 18 bis 24 Gew.-% und einen integrierten Platin-Gehalt von 18 bis 45 Gew.-% aufweist, Rest Komponenten der Zusammensetzung der Substratmasse, die insgesamt 100 Gew.-% ergeben, wobei der Platin- und Aluminium- Gehalt relativ hoch benachbart der Substratoberfläche sind und mit zunehmendem Abstand in das Substrat von der Substratoberfläche aus abnehmen. Vorzugsweise hat der Oberflächenbereich einen integrierten Aluminium-Gehalt von 21 bis 23 Gew.-% und einen integrierten Platin-Gehalt von 30 bis 45 Gew.-%. Alle hier für die Oberflächen-Regionen genannten Zusammensetzungen wurden durch eine Integrations-Technik bestimmt, die im Folgenden näher erläutert wird, und die wirksam eine gemittelte Zusammensetzung der Oberflächenregion bestimmt. Wahlweise liegt eine Keramikschicht auf dem Oberflächenbereich, um ein thermisches Sperrüberzugssystem herzustellen.According to a first aspect of the invention there is provided an article having a platinum aluminide surface region comprising a substrate having a nickel-based substrate mass composition and a substrate surface and a platinum aluminide surface region on the substrate surface formed by depositing a layer of platinum on the substrate surface and diffusing the platinum layer into the substrate surface and thereafter providing an aluminum source and diffusing aluminum into the substrate surface, the surface region having an integrated aluminum content of 18 to 24 wt.% and an integrated platinum content of 18 to 45 wt.%, the remainder being components of the substrate mass composition totaling 100 wt.%, the platinum and aluminum content being relatively high adjacent to the substrate surface and decreasing with increasing distance into the substrate from the substrate surface. Preferably the surface region has an integrated aluminum content of 21 to 23 wt.% and an integrated platinum content of 30 to 45 wt.%. All compositions reported herein for the surface regions were determined by an integration technique, discussed in more detail below, which effectively determines an average composition of the surface region. Optionally, a ceramic layer is overlaid on the surface region to produce a thermal barrier coating system.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes geschaffen, der einen Platin-Aluminid-Oberflächenbereich aufweist, umfassend die Stufen des Schaffens eines Substrates mit einer Zusammensetzung der Substratmasse aus einer Nickelbasis-Legierung und mit einer Substratoberfläche, danach Abscheiden einer Platinschicht auf der Substratoberfläche, danach Diffundieren von Platin aus der Platinschicht in die Substratoberfläche, danach Schaffung einer Aluminiumquelle und danach Diffundieren von Aluminium aus der Aluminiumquelle in die Substratoberfläche für eine genügende Zeit, um eine Substratregion an der Substratoberfläche zu schaffen, wobei die Substratregion einen integrierten Aluminium-Gehalt von 18 bis 24 Gew.-% und einen integrierten Platin-Gehalt von 18 bis 45 Gew.-%, Rest Komponenten der Zusammensetzung der Substratmasse, aufweist. Gegebenenfalls können das Substrat und der Oberflächenbereich geglüht werden und/oder eine Keramikschicht kann abgeschieden werden, die über dem Oberflächenbereich liegt.According to a second aspect of the invention there is provided a method of making an article having a platinum aluminide surface region comprising the steps of providing a substrate having a bulk substrate composition of a nickel-based alloy and having a substrate surface, then depositing a platinum layer on the substrate surface, then diffusing platinum from the platinum layer into the substrate surface, then providing an aluminum source and then diffusing aluminum from the aluminum source into the substrate surface for a time sufficient to create a substrate region at the substrate surface, the substrate region having an integrated aluminum content of 18 to 24 wt.% and an integrated platinum content of 18 to 45 wt.%, the remainder being components of the bulk substrate composition. Optionally, the substrate and the surface region may be annealed and/or a ceramic layer may be deposited overlying the surface region.
Durch Platin-Aluminid gechützte Oberflächenbereiche waren bereits bekannt, doch schafft das vorliegende Herangehen einen optimierten Platin-Aluminid-Überzug, dessen Leistungsfähigkeit bei erhöhter Temperatur und Beständigkeit gegen die Umgebung verbessert sind, verglichen mit früheren Platin-Aluminid-Überzügen. Darüber hinaus kann der Platin-Aluminid-Überzug der Erfindung bei fortgeschrittenen Superlegierungen auf Nickelbasis eingesetzt werden, ohne dass während des Gebrauches ein zu starkes Überzugswachstum, ein Aufrauhen der Oberfläche, eine Erzeugung unerwünschter Phasen während des Gebrauches oder verringerte Spannungsbruch- Eigenschaften auftreten.Platinum aluminide protected surface areas were previously known, but the present approach creates an optimized platinum aluminide coating that has improved elevated temperature performance and environmental resistance compared to previous platinum aluminide coatings. In addition, the platinum aluminide coating of the invention can be used on advanced nickel-based superalloys without excessive coating growth during use, surface roughening, generation of undesirable phases during use, or reduced stress rupture properties.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:The invention will now be described in more detail by way of example with reference to the drawing, in which:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinen-Komponente,Fig. 1 is a perspective view of a gas turbine component,
Fig. 2A eine schematische Schnittansicht durch die Komponente der Fig. 1 entlang der Linie 2A-2n, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt,Fig. 2A is a schematic sectional view through the component of Fig. 1 along the line 2A-2n, showing an embodiment of the invention,
Fig. 2B eine schematische Schnittansicht durch die Komponente der Fig. 1 entlang der Linie 2A-2A, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt,Fig. 2B is a schematic sectional view through the component of Fig. 1 along the line 2A-2A, showing a second embodiment of the invention,
Fig. 3 ein Blockfließdiagramm für ein Verfahren zum Aufbringen eines Schutzüberzuges auf ein Substrat undFig. 3 is a block flow diagram for a process for applying a protective coating to a substrate and
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Leistungsfähigkeit des Überzuges als eine Funktion der Zusammensetzung des Überzuges zeigt.Fig. 4 is a graph showing coating performance as a function of coating composition.
Fig. 1 zeigt eine Komponente eines Gasturbinen-Triebwerkes, wie eine Turbinen-Laufschaufel oder -Leitschaufel, die in diesem Fall als eine Turbinen-Laufschaufel 20 abgebildet ist. Die Turbinen-Laufschaufel 20 schließt einen Flügel 22 ein, gegen den die Strömung des Abgases gerichtet ist. Die Turbinen-Laufschaufel 20 ist auf einer (nicht gezeigten) Turbinenscheibe mittels eines Schwalbenschwanzes 24 montiert, der sich von dem Flügel 22 aus nach unten erstreckt und im Eingriff mit einem Schlitz der Turbinenscheibe steht. Eine Plattform 26 erstreckt sich längs außerhalb des Bereiches, in dem der Flügel 22 mit dem Schwalbenschwanz 24 verbunden ist. Eine Anzahl von Kühlkanälen erstreckt sich gegebenenfalls durch das Innere des Flügels 22 und endet in Öffnungen 28 in der Oberfläche des Flügels 22. Eine Strömung von Kühlluft ist durch die Kühlkanäle gerichtet, um die Temperatur des Flügels 22 zu verringern.Fig. 1 shows a component of a gas turbine engine, such as a turbine blade or vane, which in this case is depicted as a turbine blade 20. The turbine blade 20 includes a vane 22 against which the flow of exhaust gas The turbine blade 20 is mounted on a turbine disk (not shown) by means of a dovetail 24 which extends downwardly from the vane 22 and engages a slot of the turbine disk. A platform 26 extends longitudinally outside the area where the vane 22 is connected to the dovetail 24. A number of cooling channels optionally extend through the interior of the vane 22 and terminate in openings 28 in the surface of the vane 22. A flow of cooling air is directed through the cooling channels to reduce the temperature of the vane 22.
Der Flügel 22 der Turbinen-Laufschaufel 20 ist durch einen Schutzüberzug 30 geschützt, von dem zwei Ausführungsformen in den Fig. 2A und 2B veranschaulicht sind. In jedem Falle ist der Schutzüberzug 30 an einer Oberfläche 31 der Turbinen-Laufschaufel 20 vorhanden, die als ein Substrat 32 für den Schutzüberzug 30 dient.The airfoil 22 of the turbine blade 20 is protected by a protective coating 30, two embodiments of which are illustrated in Figures 2A and 2B. In each case, the protective coating 30 is present on a surface 31 of the turbine blade 20 which serves as a substrate 32 for the protective coating 30.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2A umfasst der Schutzüberzug 30 eine Platin-Aluminidregion 34, die an der Oberfläche 31 des Substrates 32 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform von Fig. 2B umfasst der Schutzüberzug 30 eine Platin-Aluminidregion 36 an der Oberfläche 31 des Substrates 32 und eine keramische thermische Sperrschicht 38, die über der Platin-Aluminidregion 36 liegt. Der in Fig. 2B gezeigte Schutzüberzug 30 schließt die metallische Region 36 (in diesem Zusammenhang als Bindeüberzug bezeichnet) und die Keramikschicht 38 ein und wird manchmal als thermisches Sperrüberzugssystem bezeichnet. Die beiden Platin-Aluminidregionen 34 und 36 können von gleichen oder verschiedenen Strukturen und Zusammensetzungen innerhalb des Umfangs der Erfindung sein. Die Platin-Aluminidregionen 34 und 36 haben vorzugsweise eine Dicke von 0,038 mm (0,0015 Zoll) bis 0,102 mm (0,004 Zoll), am bevorzugtesten sind sie 0,0635 mm (0,0025 Zoll) dick.In the embodiment of Fig. 2A, the protective coating 30 includes a platinum aluminide region 34 disposed at the surface 31 of the substrate 32. In the embodiment of Fig. 2B, the protective coating 30 includes a platinum aluminide region 36 at the surface 31 of the substrate 32 and a ceramic thermal barrier layer 38 overlying the platinum aluminide region 36. The protective coating 30 shown in Fig. 2B includes the metallic region 36 (referred to as a bond coat in this context) and the ceramic layer 38 and is sometimes referred to as a thermal barrier coating system. The two platinum aluminide regions 34 and 36 may be of the same or different structures and compositions within the scope of the invention. The platinum aluminide regions 34 and 36 preferably have a thickness of 0.038 mm (0.0015 inches) to 0.102 mm (0.004 inches), most preferably they are 0.0635 mm (0.0025 inches) thick.
Fig. 3 ist ein Block-Fließdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Herstellen der Schutzüberzüge der Fig. 2A und 2B. In einer ersten Stufe, 50, wird das Substrat 32 selbst geschaffen. Das Substrat ist eine Superlegierung auf Nickelbasis, vorzugsweise einer fortgeschrittenen weiten oder dritten Generation, eine einkristalline Superlegierung auf Nickelbasis, die beträchtliche Mengen sowohl an Aluminium als auch Rhenium enthält. Das Substrat ist im Wesentlichen einkristallin, obwohl geringe Mengen polykristallinen Materials toleriert werden. Der Aluminium-Gehalt beträgt von 5 bis 16 Gew.-%, am bevorzugtesten 6 bis 7 Gew.-%, in solchen fortgeschrittenen Superlegierungen. Mindestens 5 Gew.-% Aluminium sind vorhanden, um einen genügend großen Volumenanteil der verfestigenden γ'-Phase zu erzeugen. Der Rhenium-Gehalt beträgt von 1 bis 8 Gew.-%, am bevorzugtesten von 2,5 bis 6 Gew.-%, in solchen fortgeschrittenen Superlegierungen. Ein bevorzugtestes Substrat ist ein aus der Legierung RN5 hergestelltes einkristallines Substrat mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 7,5% Cobalt, 7% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,5% Tantal, 5% Wolfram, 1,5% Molybdän, 3% Rhenium, Rest Nickel. Gegebenenfalls kann etwas Yttrium und/oder Hafnium vorhanden sein. Das Herangehen nach der Erfindung ist auch ausführbar mit anderen fortgeschrittenen Legierungs-Substraten, wie Legierung RN6 mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 12,5% Cobalt, 4, 5% Chrom, 6% Aluminium, 7,5% Tantal, 5,8% Wolfram, 1,1% Molybdän, 5,4% Rhenium, 0,15% Hafnium, Rest Nickel, und Legierung R142, mit einer Zusammensetzung in Gew.-%, von 12% Cobalt, 6,8% Chrom, 6,2% Aluminium, 6,4% Tantal, 4,9% Wolfram, 1,5% Molybdän, 2,8% Rhenium, 1,5% Hafnium, Rest Nickel.3 is a block flow diagram of a preferred process for making the protective coatings of FIGS. 2A and 2B. In a first step, 50, the substrate 32 itself is created. The substrate is a nickel-base superalloy, preferably an advanced third generation, single crystal nickel-base superalloy containing significant amounts of both aluminum and rhenium. The substrate is essentially single crystal, although small amounts of polycrystalline material are tolerated. The aluminum content is from 5 to 16 wt.%, most preferably 6 to 7 wt.%, in such advanced superalloys. At least 5 wt.% aluminum is present to produce a sufficiently large volume fraction of the strengthening γ' phase. The rhenium content is from 1 to 8 wt.%, most preferably 2.5 to 6 wt.%, in such advanced superalloys. A most preferred substrate is a single crystal substrate made from alloy RN5 having a composition in wt.% of 7.5% cobalt, 7% chromium, 6.2% aluminum, 6.5% tantalum, 5% tungsten, 1.5% molybdenum, 3% rhenium, balance nickel. Optionally, some yttrium and/or hafnium may be present. The approach of the invention is also feasible with other advanced alloy substrates such as alloy RN6 having a composition in wt.% of 12.5% cobalt, 4.5% chromium, 6% aluminum, 7.5% tantalum, 5.8% tungsten, 1.1% molybdenum, 5.4% rhenium, 0.15% hafnium, balance nickel, and alloy R142 having a composition in wt.% of 12% cobalt, 6.8% chromium, 6.2% aluminium, 6.4% tantalum, 4.9% tungsten, 1.5% molybdenum, 2.8% rhenium, 1.5% hafnium, balance nickel.
Der optimierte Platin-Aluminid-Überzug der Erfindung zeigt eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit auf einer weiten Vielfalt von Substrat-Materialien, doch ist diese verbesserte Leistungsfähigkeit besonders wichtig für diese fortgeschrittenen einkristallinen Legierungs-Substrate auf Nickelbasis. Diese fortgeschrittenen einkristallinen Legierungs-Substrate haben höhere Aluminium-Gehilte als frühere Superlegierungen auf Nickelbasis, was zu einer größeren Menge an γ'-Phase von etwa 60-70 Vol.-% führt, als bei früheren Superlegierungen auf Nickelbasis. Sie werden bei höheren Betriebs-Temperaturen, über 1093,3ºC (2000ºF), als frühere Superlegierungs-Substrate auf Nickelbasis eingesetzt, und Diffusionseffekte sind entsprechend wichtiger. Der Platin- Aluminid-Überzug der Erfindung zeigt kein exessives Überzugs-Wachstum, Oberflächen-Aufrauhen, keine Produktion unerwünschter Phasen während des Einsatzes oder verringerte Spannungsbruch-Eigenschaften während des Einsatzes bei solchen hohen Temperaturen. Die Kombination eines solchen fortgeschrittenen einkristallinen Legierungs-Substrates auf Nickelbasis und des als nächstes beschriebenen Platin-Aluminid-Überzuges ist die bevorzugteste Ausführungsform der Erfindung. Der Platin-Aluminid-Überzug ist nicht auf die Verwendung auf solchen fortgeschrittenen einkristallinen Superlegierungen beschränkt.The optimized platinum aluminide coating of the invention exhibits excellent performance on a wide variety of substrate materials, but this improved performance is particularly important for these advanced nickel-based single crystal alloy substrates. These advanced single crystal alloy substrates have higher aluminum content than previous nickel-based superalloys, resulting in a greater amount of gamma-' phase, approximately 60-70 vol.%, than previous nickel-based superalloys. They are used at higher operating temperatures, above 1093.3ºC (2000ºF), than previous nickel-based superalloy substrates, and diffusion effects are correspondingly more important. The platinum aluminide coating of the invention does not exhibit excessive coating growth, surface roughening, production of undesirable phases during use, or reduced stress rupture properties during use at such high temperatures. The combination of such an advanced nickel-based single crystal alloy substrate and the platinum aluminide coating described next is the most preferred embodiment of the invention. The platinum aluminide coating is not limited to use on such advanced single crystal superalloys.
Ein Platinschicht wird auf der Oberfläche des Substrates 32 abgeschieden, wie in Stufe 52 gezeigt. Die Platinschicht wird vorzugsweise durch Elektroplattieren abgeschieden, doch können auch andere ausführbare Techniken, wie Zerstäuben und chemische Dampfabscheidung aus metallorganischen Verbindungen benutzt werden. Die Platinschicht hat erwünschtermaßen eine Dicke von 0,0076 mm (0,0003 Zoll).A platinum layer is deposited on the surface of the substrate 32 as shown in step 52. The platinum layer is preferably deposited by electroplating, but other feasible techniques such as sputtering and chemical vapor deposition of organometallic compounds may also be used. The platinum layer desirably has a thickness of 0.0076 mm (0.0003 inches).
Platin aus der Platinschicht wird in die Oberfläche des Substrates durch Erhitzen des Substrates und der abgeschiedenen Platinschicht diffundiert, Stufe 54. Die bevorzugte Diffusions-Behandlung findet 2 Stunden lang bei 982-1093,3ºC (1.800-2.000ºF statt. Die Stufen 52 und 54 können gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden.Platinum from the platinum layer is diffused into the surface of the substrate by heating the substrate and the deposited platinum layer, step 54. The preferred diffusion treatment is at 982-1093.3ºC (1,800-2,000ºF) for 2 hours. Steps 52 and 54 can be performed simultaneously or sequentially.
Es wird nach irgendeiner ausführbaren Technik eine Aluminiumquelle geschaffen, Stufe 56. Vorzugsweise wird ein Wasserstoff und Halogenidgas mit Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung in. Berührung gebracht, um das entsprechende Aluminiumhalogenid-Gas zu bilden. Das Aluminiumhalogenid-Gas wird mit der zuvor abgeschiedenen Platinschicht, die auf dem Substrat liegt, in Berührung gebracht und eine Aluminiumschicht über der Platinschicht abgeschieden. Die Reaktionen finden bei erhöhter Temperatur statt, so dass zur Oberfläche übertragene Aluminiumatome in die Oberfläche der an Platin angereicherten Region und des Substrates diffundieren, Stufe 58. Die Stufen 56 und 58 werden daher typischerweise gleichzeitig ausgeführt.A source of aluminum is provided by any feasible technique, step 56. Preferably, a hydrogen and halide gas is contacted with aluminum metal or an aluminum alloy to form the corresponding aluminum halide gas. The aluminum halide gas is contacted with the previously deposited platinum layer overlying the substrate and an aluminum layer is deposited over the platinum layer. The reactions take place at elevated temperature so that aluminum atoms transferred to the surface diffuse into the surface of the platinum-enriched region and the substrate, step 58. Steps 56 and 58 are therefore typically carried out simultaneously.
Die Temperatur der Behandlung, die Zusammensetzung der Quelle, die Expositionszeit und die Menge des Aluminiumquellen-Gases bestimmen die Menge des Aluminiums, die zum Substrat übertragen und in das Substrat diffundiert wird. Die Aktivität des Aluminiums wird mit einer reinen Nickelfolie von 0,025 mm Dicke bestimmt, die im Aluminierungs-Reaktor an den gleichen Stellen angeordnet wird, wo Substrate angeordnet werden sollen. Dadurch werden Komplikationen vermieden, die mit der Messung von Aluminium in Multikomponenten-Systemen verbunden sind. Die Folie wird im Reaktor behandelt, so dass sie sich mit Aluminium sättigt. Der Aluminium-Gehalt der Folie wird durch Säureauflösung und Analyse mit einem geeigneten Verfahren, wie induktiv gekoppelter Plasma-Emissionsspektroskopie, gemessen. Aus diesen Messungen wurde die Verarbeitung bei der Aluminierungs-Behandlung bestimmt. Die bevorzugte Behandlung erzeugt eine Aktivität zwischen 40 und 50 Atom-% in einer reinen Nickelfolie. Bei einem bevorzugten Herangehen werden die Aluminierungs- und Diffusions-Behandlung bei einer Temperatur von 1051,7-1121ºC (1.925- 2.050ºF) 4-16 Stunden lang ausgeführt.The temperature of the treatment, the composition of the source, the exposure time and the amount of aluminum source gas determine the amount of aluminum transferred to and diffused into the substrate. The activity of the aluminum is determined using a pure nickel foil of 0.025 mm thickness, which is placed in the aluminization reactor at the same locations where substrates are to be placed. This avoids complications associated with the measurement of aluminum in multicomponent systems. The Foil is treated in the reactor to saturate with aluminum. The aluminum content of the foil is measured by acid dissolution and analysis by a suitable method such as inductively coupled plasma emission spectroscopy. From these measurements, the processing in the aluminizing treatment was determined. The preferred treatment produces an activity between 40 and 50 atomic percent in a pure nickel foil. In a preferred approach, the aluminizing and diffusion treatment are carried out at a temperature of 1051.7-1121ºC (1,925-2,050ºF) for 4-16 hours.
Nach Abschluss der Diffusions-Behandlung variieren die chemischen Zusammensetzungen der Platin-Aluminid-Region 34, 36 und der Abschnitt 36 des Substrates 32 unmittelbar benachbart zur Platin-Aluminium-Region 34, als Funktion der Tiefe unterhalb der Oberfläche. Der Aluminium- Gehalt und der Platin-Gehalt der Platin-Aluminium-Region 34, 36 ist benachbart der Oberfläche 31 relativ hoch und nimmt mit zunehmender Tiefe in die Region 34, 36 und das Substrat 32 ab. Der Rest der Zusammensetzung, die insgesamt 100 Gew.-% ausmacht, wird von Komponenten der Massenzusammensetzung der Substrat-Legierung gebildet, und er ist hoch in einer großen Tiefe unterhalb der Oberfläche 31 und nimmt unmittelbar benachbart der Oberfläche 31 zu einem geringeren Wert ab.After completion of the diffusion treatment, the chemical compositions of the platinum-aluminide region 34, 36 and the portion 36 of the substrate 32 immediately adjacent to the platinum-aluminum region 34 vary as a function of depth below the surface. The aluminum content and platinum content of the platinum-aluminum region 34, 36 is relatively high adjacent to the surface 31 and decreases with increasing depth into the region 34, 36 and the substrate 32. The remainder of the composition, totaling 100 wt.%, is made up of components of the bulk composition of the substrate alloy and is high at a great depth below the surface 31 and decreases to a lesser value immediately adjacent to the surface 31.
Wegen dieser Variation der Zusammensetzung mit der Tiefe werden die Zusammensetzungen der Oberflächenregionen nach einem Integrations-Verfahren gemessen. Das überzogene Substrat wird senkrecht zur Oberfläche geschnitten. Die Gew.-% an Aluminium, Platin und anderen interessierenden Elementen werden als eine Funktion des Abstandes von der Oberfläche nach irgendeiner Technik bestimmt, die lokale Zusammensetzungen ergibt, wie einer Elektronen-Mikrosonde mit einem dispersiven Wellenlängen-Spektrometer oder einem dispersiven Energie-Spektrometer (in Verbindung mit geeigneten Kalibrierungs-Standards). Die Messungen werden mit einem Elektronenraster vorgenommen, das ein mindestens 5 um · 5 um großes Fenster erzeugt. Solche Messtechniken der Zusammensetzung sind im Stande der Technik bekannt. Zusammensetzungs- Messungen werden an Stellen vorgenommen, die innerhalb von 2-3 um von der äußeren exponierten Oberfläche beginnen und dann in Stufen von 5 um oder weniger von der vorherigen Messung. Der Gehalt des interessierenden Elementes in Gew.-% wird als eine Funktion des Abstandes von der äußeren exponierten Oberfläche bis zu einer maximalen Distanz aufgetragen, die als die obere Grenze der Integration dient. Die obere Grenze der Integration ist als der Abstand ausgewählt, bei dem die Gew.-% an Aluminium von den höheren Werten näher an der Oberfläche auf 18% abgenommen haben, weil unter 18% Aluminium das β-NiAl nicht stabil ist. Die Fläche unter der Kurve wird nacht Irgendeiner geeigneten Technik, wie Trapez-Annäherung, bestimmt und durch den Wert der oberen Grenze der Integration dividiert.Because of this variation in composition with depth, the compositions of the surface regions are measured by an integration technique. The coated substrate is cut perpendicular to the surface. The weight percent of aluminum, platinum, and other elements of interest are determined as a function of distance from the surface by any technique that yields local compositions, such as an electron microprobe with a dispersive wavelength spectrometer or a dispersive energy spectrometer (in conjunction with appropriate calibration standards). The measurements are made with an electron grid that produces a window at least 5 µm x 5 µm in size. Such composition measurement techniques are known in the art. Composition measurements are made at locations starting within 2-3 µm of the outer exposed surface and then in increments of 5 µm or less from the previous measurement. The wt% content of the element of interest is plotted as a function of distance from the outer exposed surface to a maximum distance which serves as the upper limit of integration. The upper limit of integration is chosen as the distance at which the wt% aluminum has decreased from the higher values closer to the surface to 18%, because below 18% aluminum the β-NiAl is not stable. The area under the curve is determined using any suitable technique, such as trapezoidal approximation, and divided by the value of the upper limit of integration.
Es wurde ein ausgedehntes Testen unternommen, wie es im Folgenden detaillierter beschrieben wird, um die Charakteristika, Eigenschaften und Behandlung der optimalen Platin-Aluminium-Region 34, 36 zu bestimmen. Das Ergebnis ist, dass die Region 34, 36 eine integrierte Zusammensetzung von 18 bis 24 Gew.-% Aluminium und von 18 bis 45 Gew.-% Platin aufweist. Bevorzugter ist die integrierte Zusammensetzung von 21 bis 23 Gew.-% Aluminium und von 30 bis 45 Gew.-% Platin. Der Rest der Zusammensetzung sind diffundierte Komponenten des Substrates, hauptsächlich Nickel, Cobalt und Chrom, so dass die gesamte Zusammensetzung aus Aluminium, Platin und den diffundierten Komponenten 100% beträgt.Extensive testing was undertaken, as described in more detail below, to determine the characteristics, properties and treatment of the optimal platinum-aluminum region 34, 36. The result is that the region 34, 36 has an integrated composition of 18 to 24 wt.% aluminum and 18 to 45 wt.% platinum. More preferred is the integrated composition of 21 to 23 wt.% aluminum and 30 to 45 wt.% platinum. The remainder of the composition is diffused components of the substrate, mainly nickel, cobalt and chromium, so that the total composition of aluminum, platinum and the diffused components is 100%.
Diese Region 34, 36 ist eine einphasige, relativ duktile Zusammensetzung aus Aluminium, Platin, Nickel und den diffundierten Komponenten des Substrates. Beim bevorzugten Herangehen hat die Region 34, 36 eine Dicke von 0,0635 mm (0,0025 Zoll).This region 34, 36 is a single phase, relatively ductile composition of aluminum, platinum, nickel and the diffused components of the substrate. In the preferred approach, the region 34, 36 has a thickness of 0.0635 mm (0.0025 inches).
Nach dem bis zu diesem Punkt beschriebenen Verfahren von Fig. 3 können wahlweise eine oder beide von zwei zusätzlichen Verarbeitungsstufen ausgeführt werden. Das Substrat 32 und die ineinander diffundierte Region 34, 36 kann geglüht werden, um Spannung aus der ineinander diffundierten Region 34, 36 zu entfernen, Stufe 60. Dieses Glühen, obwohl es in weitem Rahmen für gewisse Schutzüberzüge benutzt wird, hat sich beim vorliegenden Herangehen als nicht erforderlich erwiesen. Wenn es benutzt wird, dann ist eine bevorzugte Glühbehandlung die bei einer Temperatur von 982-1043,3ºC (1.800-2.000ºF) für eine Zeit von 1/4 bis 2 Stunden.Following the process of Fig. 3 described up to this point, one or both of two additional processing steps may optionally be performed. The substrate 32 and the interdiffused region 34, 36 may be annealed to remove stress from the interdiffused region 34, 36, step 60. This annealing, although widely used for certain protective coatings, has not been found to be necessary in the present approach. If used, a preferred annealing treatment is at a temperature of 982-1043.3°C (1800-2000°F) for a time of 1/4 to 2 hours.
Wahlweise kann eine Keramikschicht auf der Oberfläche 31 des Substrates 30 abgeschieden werden, Stufe 62, wenn die Endstruktur die eines thermischen Sperrüberzugssystems der in Fig. 2B abgebildeten Art sein soll. Die Keramikschicht für einen thermischen Sperrüberzug 38 besteht vorzugsweise aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) mit einer Zusammensetzung aus Zirkoniumdioxid und etwa 6-8 Gew.-% Yttriumoxid und einer Dicke von 0,127-0,381 mm (0,005- 0,015 Zoll). Das YSZ wird nach irgendeiner ausführbaren Technik abgeschieden, am bevorzugtesten ist eine physikalische Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahl.Optionally, a ceramic layer may be deposited on the surface 31 of the substrate 30, step 62, if the final structure is to be that of a thermal barrier coating system of the type depicted in Figure 2B. The ceramic layer for a thermal barrier coating 38 is preferably yttria stabilized zirconia (YSZ) having a composition of zirconia and about 6-8 wt.% yttria and a thickness of 0.127-0.381 mm (0.005-0.015 inches). The YSZ is deposited by any practical technique, most preferably by electron beam physical vapor deposition.
Überzüge aus einer Vielfalt von Platin-Aluminium-Zusammensetzungen wurden hergestellt nach dem oben beschriebenen bevorzugten Herangehen unter Einsatz von RN5-Substraten. Die überzogenen Proben wurden in Brennergestellen in einer Hochgeschwindigkeits-Umgebung mit 0,5 ppm Salz bei 1.129ºC (2.150ºF) getestet. Die Lebensdauern der überzogene Proben wurden in Stunden des Aussetzens pro 0,254 mm (0,001 Zoll) des Überzuges bestimmt. Fig. 4 zeigt die Ergebnisse dieser Test. Es gibt eine bestimmte Region signifikant verbesserter Leistungsfähigkeit für Platin- Aluminium-Regionen mit einem integrierten Aluminium-Gehalt von 18 bis 24 Gew.-% und einem integrierten Platin-Gehalt von 18 bis 45 Gew.-%, Rest Komponenten der Massenzusammensetzung des Substrates. Besonders erwünschte Ergebnisse werden für einen optimalen Zusammensetzungs- Bereich erhalten, bei dem der integrierte Aluminium-Gehalt der Oberflächenregion von 21 bis 23 Gew.-% und der integrierte Platin-Gehalt der Oberflächenregion von 30 bis 45 Gew.-% beträgt. Außerhalb dieser Grenzen nimmt der durch die Oberflächenregion gewährleistete Schutz ab.Coatings of a variety of platinum-aluminum compositions were prepared according to the preferred approach described above using RN5 substrates. The coated samples were tested in burner racks in a high velocity environment with 0.5 ppm salt at 1129ºC (2150ºF). The lives of the coated samples were determined in hours of exposure per 0.254 mm (0.001 inch) of coating. Figure 4 shows the results of these tests. There is a distinct region of significantly improved performance for platinum-aluminum regions with an integrated aluminum content of 18 to 24 wt.% and an integrated platinum content of 18 to 45 wt.%, balance components of the bulk composition of the substrate. Particularly desirable results are obtained for an optimal composition range where the integrated aluminum content of the surface region is from 21 to 23 wt.% and the integrated platinum content of the surface region is from 30 to 45 wt.%. Outside these limits, the protection provided by the surface region decreases.
Diese Erfindung wurde in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben. Der Fachmann wird jedoch verschiedene Modifikationen und Variationen erkennen, deren die vorliegende Erfindung fähig ist, ohne den Rahmen zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche repräsentiert wird.This invention has been described in connection with specific embodiments and examples. However, those skilled in the art will recognize various modifications and variations of which the present invention is capable without departing from the scope as represented by the appended claims.
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